Сравнительная оценка приводов

Проведем краткую сравнительную оценку приводов электрогидравлического, пневматического и электрического.

Электрогидравлический привод. Анализ моделей парка отечественных и зарубежных роботов позволяет установить, что гидравлические приводы используются в 30% промышленных роботов (свед. сер. 80х). Гидравлические роботы обладают, как правило, большой и сверхбольшой грузоподъемностью.

Широкое использование гидропривода в робототехнике обусловлено рядом достоинств:

— высокое быстродействие;

— использование в качестве рабочего тела несжимаемой жидкости, что позволяет получить высокую стабильность скорости входного звена при изменении нагрузки в широком диапазоне, высокую точность позиционирования, высокую частоту реверсирования движения.

— бесступенчатость регулирования скорости выходного звена;

— большой коэффициент усиления по мощности (более 1000), высокий коэффициент полезного действия при различных способах регулирования;

— малая относительная масса гидромашин;

— отсутствие дополнительных кинематических цепей между выходным звеном привода и рабочим органом робота;

— большой опыт разработки и эксплуатации гидроприводов в различных отраслях техники;

— широкая номенклатура элементов гидроприводов, выпускаемых отечественной промышленностью.

К основным недостаткам гидравлических приводов, в том числе и приводов, применяемых в робототехнических устройствах, следует отнести:

— использование в качестве рабочего тела жидкости требует создания специальных насосных установок. Вследствие требования мобильности и автономности роботов данные насосные установки должны устанавливаться в конструкции робота, что резко увеличивает массу конструкции робота;

использование в основном рабочей жидкости на нефтяной основе исключает возможность применения роботов с таким приводом в пожаро- и взрывоопасной среде; кроме того, наличие паров жидкости на нефтяной основе плотностью 5 г/м³ (ГОСТ 12.1.005—76) является опасным для здоровья;

— ресурс рабочей жидкости ограничен, что приводит к частой смене всего объема жидкости, который в насосной установке достигает значительной величины. Это приводит к увеличению стоимости обслуживания;

— стоимость элементов данного привода выше, чем элементов пневматического и электрического приводов;

— предел рабочих температур жидкости привода ограничен (150°С), что приводит к невозможности эксплу­атации его в среде с повышенной температурой; кроме того, с изменением температуры жидкости в процессе работы изменяются свойства жидкости, а следовательно, и скорость выходного звена;

Пневматический привод. Как показывает статистика, 40—50% всех выпускаемых роботов имеют пневматический привод. Промышленные роботы с пневматическими приводами обладают грузоподъемностью в среднем до 20 кг (при мощности 60—800 Вт) для одной сте­пени подвижности. Основные преимущества пневматических приводов при использовании в промышленных роботах:

— простота и надежность конструкции;

— высокая скорость выходного звена привода: при линейном перемещении до 1000 мм/с, при вращении — до 60 об/мин;

— использование сжатого воздуха в качестве рабоче­го тела;

— возможность использования сжатого воздуха из заводской пневмосети с давлением 0,5—0,6 МПа;

— простое цикловое управление: позиционирование производится с помощью перенастраиваемых упоров;

— высокая точность позиционирования по точкам, определяемым жесткими упорами;

— возможность работы в агрессивной и пожароопас­ной среде;

— отсутствие промежуточных передаточных звеньев между выходным звеном привода и рабочим органом робота;

— высокий коэффициент полезного действия (до 0,8);

— малая относительная масса конструкции привода на единицу развиваемой мощности;

— простота компоновки элементов пневмопривода;

— низкая стоимость как конструкции привода, так и робота и малые материальные затраты на обслужива­ние;

— малая чувствительность к ударным перегрузкам и вибрациям;

— возможность использования сжатого воздуха как

среды для передачи команд управления и построения схем автоматики на базе пневмоэлементов.

К недостаткам пневматического привода следует отнести:

— нестабильность скорости выходного звена при изменении нагрузки вследствие сжимаемости рабочего тела при малых и средних давлениях;

— ограниченность числа точек позиционирования (чаще всего две точки) в приводах с цикловым управлением; увеличение числа точек позиционирования требует использования специальных конструкций позиционирующих устройств;

— необходимость демпфирования движения выходного звена привода в конце хода, так как при больших скоростях движения выходного звена при подходе к упо­рам возможны сильные удары рабочего органа робота по упорам;

— наличие шума при работе привода.

Электропривод. Анализ тенденций в отечественной и зарубежной робототехнике показывает, что в последние годы все более активно в промышленных роботах ис­пользуются электроприводы. Они не применяются только в роботах, предназначенных для работы во взрывоопасных средах и для работы с машинами, оснащенными гидросистемами, по соображениям унификации.

Электроприводы новых серий — это приводы с высокомоментными двигателями постоянного тока, асинхронными двигателями, бесколлекторными двигателями постоянного тока и силовыми шаговыми двигателями.

Электроприводы этих серий в большом диапазоне моментов обеспечивают повышенную максимальную скорость, имеют улучшенные массогабаритные показатели.

Особенностями электроприводов являются расширенный (до 0,05 Н-м) диапазон малых моментов, повышенная (до 15- 10³ об/мин) максимальная частота вращения, уменьшенная инерция двигателей, возможность встройки в двигатели электромагнитных тормозов и различных датчиков, а также механических и волновых передач.

Основные достоинства электроприводов следующие:

— компактная конструкция двигателей;

— высокое быстродействие;

— равномерность вращения;

— высокий крутящий момент на максимальной скорости;

— высокая надежность (степень защиты 1Р54);

— высокая точность (за счет применения цифровой измерительной системы с высокоточным - импульсньм датчиком);

— низкие уровни шума и вибрации;

— эксплуатация без проверки и обслуживания (использование бесколлекторных двигателей);

— компактная конструкция преобразователей;

— доступность электрической энергии.

К недостаткам можно отнести:

— наличие щеток в коллекторах двигателя постоянного тока;

— ограниченное использование во взрывоопасных средах;

— большую зависимость скорости выходного звена о нагрузки, что приводит к необходимости создания дополнительных контуров регулирования привода;

— наличие дополнительной кинематической цепи между электродвигателем и рабочим органом робота

Исполнительные и передаточные элементы привода ПР.

При разработке кинематической схемы манипулятора должен решаться вопрос согласования по скорости исполнительного органа с приводным пневматическим или гидравлическим двигателем.

В ПР часто используются линейные и поворотные пневмодвигатели (в основном, пневматические цилиндры - рис.5.9, а, реже поворотные лопастные пневмодвигатели). Для линейных пневмодвигателей пневмоцилиндров двухстороннего действия - перемещение поршня осуществляется подачей сжатого воздуха в соответствующую полость: при перемещении поршня влево - в правую полость, при перемещении вправо - в левую полость (рис. 5.9, а). Управление пневмоцилиндром осуществляется пневмораспределителем, который при смещении якоря влево подает давление от пневмосети в правую полость двигателя и поршень перемещается влево. Левая полость соединяется с атмосферой. При двух возможных положениях якоря перемещения поршня происходят из одного крайнего положения в другое. Способы управления с фиксированным промежуточным положениям поршня встречаются редко из-за усложнения системы управления. Регулировкой дросселей (сопротивлений), включенных в магистраль для каждой полости, может изменяться скорость перемещения. Обратные клапаны компенсируют утечки в системе.

Поворотные лопастные пневмодвигатели (рис. 5.9, б) также работают при поочередной подаче воздуха в полости. Лопасть двигателя закреплена на валу и поворачивается вместе с ним на угол поворота a £ 300°.

Как и пневмодвигатели, гидравлические двигатели чаще всего выполняются линейными - в виде гидроцилиндров. Рабочей жидкостью является масло. Если рабочее давление в пневмоприводах составляет 0,5...1 МПа, то в гидроприводах рабочее давление на порядок больше: 5...10 МПа. Указанное позволяет при одних и тех же рабочих усилиях в несколько раз уменьшить диаметр гидроцилиндра по сравнению с пневмоцилиндром.

Иногда вместо пары "гидроцилиндр - поршень" двустороннего действия используются сдвоенные плунжерные пары одностороннего действия (рис. 5.9. в). При выполнении зубьев на части плунжера

Вращательная пара (рис. 5.5) допускает одно вращательное движение ее звеньев вокруг оси х. Соприкосновение элементов звеньев вращательных пар осуществляется по поверхности круглых цилиндров. Показанная на рис. 5.5, а пара замыкается геометрически. Изображение вращательных пар на схемах плоских механизмов показано на рис. 5.5, б, пространственных механизмов – на рис. 5.5, в.

В манипуляторах ПР и устройствах передвижения ПР широко используются электрические двигатели переменного и постоянного тока. Значительный прогресс в создании и промышленном освоении полупроводниковых (тиристорных и транзисторных) преобразователей (управляемых выпрямителей) позволили создать высокоэффективные электропроводы для ПР. Особенностями электроприводов ПР является расширенный до 0,005 Н × м диапазон малых моментов, повышенная до 15 × 10³ об/мин максимальная частота вращения, возможность уменьшения инерции двигателей, встройки тормозов и различных датчиков, встроенных передач, отсутствие характерных для пневмо- и гидроприводов утечек энергоносителя, низкий уровень шума и вибрации, сравнительная простота подвода питания, в том числе, для двигателей на подвижных частях ПР.

Для согласования скоростей приводных двигателей и звеньев ПР, которым передается движение, используются зубчатые передачи (цилиндрические и конические, с прямыми и косыми зубьями), а также передачи с гибкой связью (ременные зубчатые, цепные и тросовые).

Цилиндрические зубчатые передачи преобразуют вращательное движение между параллельными осями. Профили зубьев выполняются, как правило, по эвольвенте окружности, что обеспечивает неизменность отношения угловых скоростей ведущего и ведомого зубчатых колес при малых изменениях межосевого расстояния (например, вследствие изгибной деформации валов). Современная технология изготовления зубчатых колес позволяет достигать практически любой точности при передаче вращения. Использование высокопрочных материалов в сочетании с термической и термохимической обработкой позволяет обеспечивать при малых габаритах передач высокую нагрузочную способность.

Конические зубчатые передачи преобразуют вращательное движения между пересекающимися осями (как правило, под углом 90°, хотя возможны передачи с произвольным углом между осями). Технология изготовления конических зубчатых колес более сложная, чем цилиндрических, а методы обеспечения высокой точности - более трудоемкие. Конические зубчатые передачи, выполненные в виде соосных конических дифференциалов, используются в копирующих манипуляторах с ручным управлением

Цепные передачи втулочно-роликовыми или зубчатыми цепями (рис.5.10,а) осуществляют передачу вращения между параллельными валами при значительных межосевых расстояниях. При существующей технологии изготовления цепей и звездочек, а также учитывая специфическое взаимодействие звеньев цепи с зубьями звездочек обеспечение высокой точности передачи вращения, соразмерной с точностью цилиндрических зубчатых передач, не удается.

Ременные зубчатые передачи (рис. 5. 10, б) также служат для передачи вращательного движения между параллельными валами при значительном межосевом расстоянии. Современная технология позволяет обеспечить изготовление элементов передачи с точностью, близкой к точности передач зацеплением однако передачи зубчатым ремнем характеризуются при равномерном вращении ведущего шкива (ведущей звездочки) неравномерным вращением ведомого шкива (ведомой звездочки). Неравномерность сравнительно невелика но ее следует учитывать при проектировании механизмов ПР.

Тросовые передачи используются для передачи прямолинейного движения через кинематические пары: поступательную и вращательную. На рис. 5.11, а показана тросовая передача через поступательную пару, при перемещении правого конца троса относительно правого звена перемещается левый конец относительно левого звена. Если же правое звено выдвигается из левого, то при закрепленном левом конце троса правый конец троса не изменит положения относительно правого звена, перемещаясь вместе с ним.

На рис. 5.11, б представлена тросовая передача через вращательную пару. При закрепленном левом конце троса поворот звена не приводит к перемещению правого конца троса относительно этого конца. Как и для схемы согласно рис. 5.11, здесь должно быть обеспечено натяжение троса.

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Электрогидравлические приводы широко используются в ПР большой (50—100 кг) и сверхбольшой (более 100 кг) грузоподъемности. В последнее время наблюдается тенденция использования в ПР большой грузоподъемности как гидроприводов, так и электроприводов [4], особенно на нижнем пределе грузоподъемности (до 80 кг).

Особенностью ПР большой и сверхбольшой грузоподъемности является наличие не только значительной полезной нагрузки, но и преобладание в ней инерционных нагрузок от подвижных звеньев робота. Именно при таком характере нагрузок проявляются преимущества гидроприводов перед электроприводами в обеспечении высоких значений динамических характеристик. Кроме того, больше проявляются преимущества гидроприводов в энергетических характеристиках, за счет которых обеспечивается значительное снижение массы робота.

Как известно, гидроприводы реализуются тремя различными схемами:

— с постоянными давлением рабочей жидкости в системе и производительностью гидравлического насоса;

— с постоянным давлением рабочей жидкости в системе и переменной производительностью гидравлического насоса;

— с переменными давлением рабочей жидкости в сис­теме и производительностью гидравлического насоса.

Первые две схемы реализации называют гидроприводами дроссельного управления соответственно с гидравлическим насосом постоянной и переменной производительности, а третью — гидроприводом объемного управления.

В дальнейшем для упрощения термин «электрогидравлический привод» заменен на термин «гидропривод».

В существующих ПР применяют преимущественно первые две схемы и практически не применяют третью.

Отношение грузоподъемности к собственной массе у современных ПР сверхбольшой грузоподъемности состав­ляет примерно 0,5. С уменьшением грузоподъемности это отношение снижается до 0,03.

Для ПР большой грузоподъемности это отношение составляет примерно 0,1. Поэтому инерционные нагрузки на гидропривод в таких роботах могут быть приблизительно в 10 раз больше, чем инерционность полезной нагрузки, а силовые нагрузки полностью определяются грузоподъемностью.

В ПР с гидроприводами используются замкнутые аналоговые и цифровые системы программного управления контурные и позиционные. В некоторых роботах применяются оба исполнения системы программного управления - контурное и позиционное. Позиционные системы управления с гидроприводом имеют особенность в конструкции золотниковых распределителей — существенно нелинейное изменение площади проходного сечения по ходу золотника с целью, обеспечения плавной остановки подвижных частей привода при позиционировании.

Как правило, ПР с гидроприводами имеют универсальное применение, манипуляторы снабжаются шестью степенями подвижности вращательного и поступательного действия с точностью позиционирования до ±0,5 мм и объемами рабочих зон более 30 м³.

Электрогидравлические следящие приводы дроссельного управления

Следящие гидроприводы дроссельного управления наиболее широко распространены в промышленном роботостроении благодаря простой конструкции, а следовательно, высокой надежности и относительно малой стоимости.

Изменение скорости движения подвижного элмента гидродвигателя осуществляется за счет дросселирования потоков рабочей жидкости на входе или выходе исполнительного двигателя или за счет сочетания этих способов дроссельного управления. При этом система из нескольких следящих гидроприводов питается рабочей жидкостью от одного гидронасоса постоянной или переменной производительности. Дросселирование потоков рабочей жидкости осуществляется изменением проходных сечений золотникового распределителя, опре­деляемых положением кромок золотника относительно проточек золотниковой втулки. Скорость перемещения гидродвигателя тем выше, чем больше проходное се­чение золотникового распределителя, т. е. больше смещение золотника относительно золотниковой втулки.

Обобщенные функциональные схемы. Наибольшее распространение в промышленной робототехнике получила схема гидроприводов дроссельного управления с гидронасосом постоянной производительности и постоянным давлением в системе.

Особенность схемы, изображенной на рис. 2.1, состоит в том, что гидронасос постоянной производительности снабжает рабочей жидкостью имеющиеся потребители и его производительность равна сумме максимальных расходов потребителей. В том случае, если один или несколько потребителей не расходуют рабочую жидкость, ее избыток перепускается в сливную магистраль через переливной клапан. При этом потенциальная энергия рабочей жидкости высокого давления переходит в тепловую энергию, нагревая жидкость. Золотниковые распределители, которые управляют гидроцилиндрами и гидромоторами, также превращают часть потенциальной энергии рабочей жидкости высокого давления в тепловую энергию.

Энергетические характеристики рассматриваемой схе­мы низкие, значительное количество потенциальной энергии рабочей жидкости высокого давления превраща­ется в тепловую энергию, электромотор и гидронасос имеют завышенные мощность и массу. Для поддержания температуры рабочей жидкости и всей конструкции в допустимых пределах (до +80°С) используют избыточную рабочую жидкость в системе и ее охлаждение с помощью теплообменника и вентилятора.

Для некоторого сокращения дросселирования рабочей жидкости через переливной клапан занижается производительность гидронасоса, а кратковременный избыточный расход обеспечивается пневмогидравлическим аккумулятором. Однако такие меры снижают давление в нагнетающей магистрали, ограничивают длительность совместной работы гидродвигателей, усложняют расчет системы и ограничивают возможные варианты ее исполь­зования. Кроме того, заметного улучшения энергетических характеристик не получается.

Рис. 2.1. Обобщенная функциональная схема гидроприводов дроссельного управления с гидронасосом постоянной производительности:

/ — бак; 2 — температурное реле; 3 — заборный фильтр; 4 — гидронасос по­стоянной производительности; 5 — электродвигатель; 6 — упругая муфта; 7 — вентилятор; 8 — фильтр тонкой очистки; 9 — пневмогидравлический аккумуля­тор; 10—переливной клапан; //—золотниковый распределитель гидроци­линдра; 12 — золотниковый распределитель гидромотора; 13 — гидромотор; 14 — гидроцилиндр; 15 — теплообменник

Рис. 2.2. Обобщенная функциональная схема гидроприводов дроссельного управления с гидронасосом переменной производительности:

1 — бак; 2 — заборный фильтр; 3 — гидронасос переменной производительности; 4—регулятор производительности насоса; 5—электродвигатель; 6— фильтр тонкой очистки; 7 — пневмогидравлический аккумулятор; 8 — золотниковый распределитель; 9 — гидроцилиндр

Особенность схемы, применяемой в роботах сверхбольшой грузоподъемности (см. табл. 2.1, п. 7—9) и изображенной на рис. 2.2, состоит в том, что в ней имеется гидронасос переменной производительности, ко­торый по давлению в магистрали нагнетания изменяет производительность.

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Применение пневматического привода в ПР в качестве 'Исполнительных устройств обусловлено рядом преимуществ, отмеченных в гл. 1. Однако использование дангоо привода при различных схемах управления предъявляет определенные требования к конструкции привода. 1ача расчета и выбора исполнительных устройств включает в себя несколько этапов, наиболее важными которых являются:

— определение физических параметров и свойств рабочей среды (рабочего тела) сжатого воздуха;

-- получение исходных значений давления и расхода;атого воздуха;

— выбор типа исполнительных устройств и их конруктивных параметров;

— определение динамических свойств исполнитель-устройств и динамики системы управления.

Типовая схема и элементы пневматического привода

Рассмотрим принципиальную схему пневмопривода Промышленного робота МП-9С (рис. 3.1), предназна-ренного для автоматизации технологических операций

Рис. 3.1. Пневматическая схема робота МП-9С:

1— входной штуцер; 2 — вентиль; 3 — влагоотделитель; 4 — редукционный пиевмоклапан; 5 — маслораспылитель; 6 — распределительные устройства

Остановки и снятия деталей при штамповке или других простых сборочных операциях. Грузоподъемность робо­та — 0,2 кг; число степеней свободы — 3: подъем, по­ворот манипулятора и выдвижение захватного устройства; точность позиционирования — 0,5 мм. Система управления — цикловая. Рабочее тело — сжатый воздух, потребление от заводской сети с. давлением 0,4—0,5 МПа. F Функционально пневмопривод с цикловым управлением можно разделить на следующие узлы (рис. 3.1):

— блок подготовки рабочего тела (или просто воз типа УСЭППА — универсальная система элементов про­мышленной пневмоавтоматики.

Для цикловых роботов управление пневмораспредели-телем осуществляется по двухпозиционному принципу «открыто—закрыто».

Согласно принятым условным обозначениям на схеме распределителя указываются:

— позиции запорно-регулирующего элемента (число квадратов);

— внешние линии связи, подводимые к распределителю;

— проходы (каналы);

— элементы управления.

Канал сообщения изображается стрелкой, показывающей направление потока жидкости или газа в каждой позиции; места соединений выделяются точками; закрытый ход изображается тупиковой линией с поперечным отрезком. Внешние линии подводятся на схеме к исходной позиции. Чтобы представить рабочее состояние распределителя, необходимо мысленно на схеме передви­нуть соответствующий квадрат обозначения на место исходной позиции, оставляя линии связи в прежнем положении. Истинное направление потока жидкости укажут проходы рабочей жидкости.

Цифровое обозначение на схеме распределителя: дробное число, где числитель указывает внешние линии распределителя, знаменатель — число рабочих позиций.

В качестве блока исполнительных двигателей привода в данной схеме используются цилиндры с прямолинейным движением поршня одно- или двустороннего действия. На каждую степень подвижности предусматривается исполнительный двигатель, конст­рукция которого обеспечивает заданные линейные пере­мещения, скорости и усилия. Захватное устройство также имеет двигатель, который обеспечивает захват детали, удержание при перемещении и освобождение ее после установки в заданной точке.

Подача сжатого воздуха в рабочую полость цилиндра осуществляется через открытое соответствующее распре­делительное устройство, при этом выход воздуха из нерабочей полости цилиндра в атмосферу осуществляется через другой открытый распределитель.

Рабочий* цикл выполняется каждым двигателем в последовательности, которая определяется требованиями технологического процесса. Включение и выключение необходимого распределителя осуществляется по про­грамме, выполняемой управляющим устройством робота.

Регулирование скорости выходного звена двигателя в пневмоприводах выполняется изменением расхода сжатого воздуха на входе или выходе двигателя. Конструк­тивно это выполняется в виде пневматического дросселя, где проходное сечение можно регулировать в зависимости от требуемой скорости.

Данная схема привода является простейшей, в зависимости от условий и требований эксплуатации она может расширяться за счет новых функциональных узлов и элементов.

Особенности конструкции пневматических приводов

Использование энергии сжатого воздуха обеспечивает выходному звену пневмопривода высокую скорость. В приводах с цикловым позиционным управлением поршень исполнительного двигателя подходит к заданной точке останова с максимальной скоростью. Если не предусматривать специальных средств торможения, то останов поршня происходит за счет механического упора, что вызывает механические вибрации груза, повышенный уровень шума и резкие динамические нагрузки на кон­струкцию двигателя. Торможение поршня в конце хода выполняется различными способами:

— специальным дросселированием рабочего тела на выходе из полости опорожнения в конце хода поршня;

— торможением (демпфированием) поршня устройствами гидравлического или пружинного типа.

Торможение поршня с использованием рабочего тела. Плавное торможение поршня в конце хода путем уменьшения расхода воздуха из полости опорожнения выпол­няется конструктивно установкой специального дросселя на выходе из цилиндра (рис. 3.2).

Сжатый воздух с давлением Рпт и расходом Qnm из магистрали через пневмораспределитель Пр4 и обрат­ный клапан ОК2 поступает в правую полость рабочего цилиндра. Поршень движется из правого положения в левое. Воздух из левой полости через дроссель Др1 и пневмораспределитель ПрЗ сбрасывается в атмосферу. При достижении положения 1-1 пневмораспределитель Пр1 переключается на дроссель Др2, имеющий повышенное сопротивление потоку. В левой полости цилиндра давление Рч увеличивается, перепад давления Др=р!—р2 уменьшается и происходит торможение поршня за счет преобразования энергии движения поршня в энергию сжатого газа или за счет механического упора, если силы эти не равны. Для полного торможения поршня в заданном положении //-// необходимо равенство сил, действующих на правую и левую площади поршня. Для совершения обратного хода поршня производится соответствующее переключение пневмораспределителей Пр1—Пр4.

Настройка дросселей Др1—Др4 выполняется перед началом работы на определенную нагрузку, при этом дроссели Др1, Др4 настраиваются на обеспечение за­данной скорости, а дроссели Др2, ДрЗ — на демпфирование движения в конце хода поршня. Данный метод демпфирования движения конструктивно прост, но требует настройки дросселей при каждом изменении нагрузки. Кроме того, тормозной путь здесь составляет значительную часть от основного. Практически данный метод используется для роботов с грузоподъемностью до 5 кг.

Одним из способов демпфирования является способ, при котором используется схема создания проти­водавления в соответствующей полости двигателя. При достижении поршнем определенного положения в полость опорожнения подается основное давление магистрали. Схема такой конструкции представлена на рис. 3.3.

Сжатый воздух из питающей магистрали поступает через пневмораспределители Пр1 и Пр2 в левую полость цилиндра, правая полость через ПрЗ и Др2 сообщена с атмосферой. Поршень движется из левого положения в правое, при этом перепад давления на поршне Др=р1—р2. При достижении поршнем положения /-/ пневмораспределитель ПрЗ переключается в другую позицию, сжатый воздух из магистрали питания поступает в правую полость цилиндра. Давление в левой и правой полостях цилиндра уравнивается: р₁=р₂. Из-за разности площадей левой и правой частей поршня F₁ и F₂ на поршень действует сила перемещения P=p₁(F₁ — Р₂), под действием ко­торой поршень будет двигаться, но с меньшей скоростью. Для создания равновесия сил на поршне одновременно с переключением ПрЗ переключается Пр2, т. е. прекращается доступ сжатого воздуха в левую полость. В этом случае левая полость представляет собой замкнутый объем.

ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

В данной главе рассматриваются электроприводы ПР. На основе анализа наиболее совершенных конструкций роботов с электроприводами приводится достаточно общая функциональная схема электропривода, поясняет­ся принцип действия и приводятся основные характе­ристики элементов его. Так как электропривод представ­ляет собой замкнутую систему автоматического управле­ния, то отдельный параграф посвящен вопросам иссле­дования точности, устойчивости, качества переходных процессов. Методика расчета электропривода поясняется на примере электропривода универсального робота «Электроника НЦТМ-30».

Функциональная схема электропривода

Электропривод современного ПР представляет собой комплекс приводов, каждый из которых управляет определенной степенью подвижности робота.

На рис. 4.1 показано схематическое изображение электроприводного робота HdS05/06 (фирма «GdA», ФРГ); цифрами 1 — 6 обозначены степени подвижности робота. Рассмотрим на примере данного робота наиболее распространенную функциональную схему электропривода (рис. 4.2). Аналогичными электроприводами снабжены широко распространенные роботы «Кука», «Сфера», РПМ-25 и др. [10]. Все шесть электроприводов (ЭП1 — ЭП6) управляются от общего центрального вычислительного устройства (ЦВчУ), которое решает траекторные задачи движения робота и выдает управляющие сигналы на цифровые регуляторы положения (ЦРП1 — ЦРП6) отдельных приводов. Цифровые регуляторы положения управляют сервоприводами (С/71 — СП6) в соответствии с сигналами от ЦВчУ и датчиков угла (ДУ).

Рис. 4.1. Универсальный электромеханический промышленный робот Hds 05/06

Рис. 4.2. Функциональная схема электромеханического робота

Особенностями электроприводов ПР являются:

1) широкий диапазон регулирования по скорости и позиционированию, высокие требования к динамике движения и точности слежения;

2) работа в широком диапазоне изменения моментов нагрузки;

3) длительная работа двигателей в заторможенном режиме.

Указанная специфика относится как к комплексу электроприводов ПР, так и к отдельным электроприводам, схемы которых по существу различаются лишь мощностями исполнительных и соответственно управляющих элементов. В остальном они построены по общей схеме (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Функциональная схема электропривода робота

Данная функциональная схема электропривода представляет собой аналогоцифровую систему автоматического управления. В ней сочетаются преимущества комбинированной аналоговой системы, работающей по принципу трехконтурной системы подчиненного регулиро­вания, с достоинствами цифровой системы (высокая точность цифровых датчиков, удобство программирования работы и т. д.).

Первый контур образован двигателем (М) с преобразователем (ПР) и регулятором тока (РТ). Во второй контур входят, кроме того, датчик скорости (ДС) и регулятор скорости (PC). В третий контур дополнительно входят датчик угла (ДУ) и ЦРП.

В качестве регуляторов тока и скорости использу­ются чаще всего аналоговые операционные усилители, с помощью которых легко реализуется требуемый закон управления [9]. Датчик скорости может быть как аналоговым, так и цифровым. В ряде случаев примене­ние датчика скорости вообще нецелесообразно, поскольку сигнал об изменении скорости может быть вычислен в цифровом регуляторе положения путем дифференцирования сигнала с датчика угла.

Таким образом, анализ функциональных схем, приведенных на рис. 4.2, 4.3, показывает, что независимо от конкретной схемы электропривод ПР состоит из следующих элементов:

1. исполнительного элемента (двигателя);

2. преобразователя;

3. датчиков обратной связи по току, скорости и углу;

4. регуляторов тока, скорости и угла (положения).

Анализ современных тенденций в производстве элек­троприводов отечественными и зарубежными фирмами показывает, что большинство из них выпускают в настоящее время сервоприводы, которые конструктивно объеди­няют двигатель, преобразователь, датчики и регуляторы скорости и тока.

Детальное изучение структуры и функциональных особенностей цифровых регуляторов положения и центрального вычислительного устройства выходит за рамки настоящего учебного пособия. Однако их реальные < характеристики будут учтены при последующих расчетах динамики электроприводов.

Комбинированные приводы

Поиск по сайту: